“車規(guī)芯片需求激增，安全可靠是第一要義”這句大實(shí)話最近很火。什么是車規(guī)芯片呢？其實(shí)它是滿足汽車電子元件規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)的芯片，在目前汽車電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化進(jìn)程中，其作用至關(guān)重要。

具體車規(guī)芯片與消費(fèi)類芯片有什么不同？怎么制造、要滿足哪些標(biāo)準(zhǔn)？現(xiàn)在為什么緊俏異常？如何解決缺“芯”的煩惱？近日，芯馳科技副總裁徐超對此類問題給出了客觀的答案。

汽車芯片和消費(fèi)類芯片判然不同

徐超從芯片制造講起，開發(fā)一款芯片之前，首先要“輸入客戶需求”，對需求進(jìn)行分解，由架構(gòu)師對芯片進(jìn)行合理化定義，這是一個(gè)非?？简?yàn)經(jīng)驗(yàn)的過程。如果滿足了全部客戶的期望需求，那芯片成本、面積、功耗等就很可能無法達(dá)到均衡。所以，架構(gòu)定義最重要的一個(gè)點(diǎn)是在覆蓋最大化客戶共性需求的同時(shí)，考慮成本、可實(shí)現(xiàn)性和可量產(chǎn)性。

定義完成后，開始IP設(shè)計(jì)，包括使用自有IP和導(dǎo)入合作伙伴的IP；之后進(jìn)行同期驗(yàn)證，然后將合作伙伴IP集成在SoC中，用加速器和仿真器進(jìn)行模擬和仿真；最后做綜合，同時(shí)不斷進(jìn)行迭代和仿真測試。

芯片的物理實(shí)現(xiàn)首先通過光刻機(jī)在晶圓上刻出芯片電路圖形，之后注入離子、鍍金屬層，然后刻蝕成電路，并進(jìn)行測試，淘汰掉不良品；再把大的晶圓交給封裝合作伙伴，切割成一個(gè)個(gè)裸片，焊在基板上進(jìn)行封裝。

這時(shí)，如果是可靠性要求不高消費(fèi)類芯片，大多數(shù)情況下，完成這些步驟就可以交付給客戶了，略微有可靠性要求的消費(fèi)電子和商用芯片則需要在封裝后做相關(guān)的一些測試和老化，挑選出有瑕疵的芯片。而車用芯片則需要做非常嚴(yán)苛的老化和可靠性測試，最后還缺少一樣?xùn)|西——相關(guān)測試和驗(yàn)證的認(rèn)證證書，作為PPAP交付文檔的一部分。所以，要把車規(guī)芯片交給認(rèn)證合作伙伴，經(jīng)過一系列測試，完成汽車功能安全和可靠性要求認(rèn)證，證明其在安全和可靠性上，達(dá)到了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，主機(jī)廠或Tier1一般才會(huì)使用。

他介紹說，車規(guī)芯片和消費(fèi)芯片有幾個(gè)顯著的區(qū)別：

• 設(shè)計(jì)目標(biāo)不同：消費(fèi)類芯片主要考慮性能、功耗和成本（PPA）；車規(guī)芯片還會(huì)綜合考慮可靠性、安全性、一致性和長效性。
• 工作環(huán)境不同：消費(fèi)類芯片一般滿足0-70℃環(huán)境溫度，而車規(guī)芯片要滿足-40-105℃的使用溫度要求。
• 設(shè)計(jì)壽命不同：消費(fèi)類產(chǎn)品一般不超過5年；汽車設(shè)計(jì)壽命是10-15年，汽車芯片壽命也要按此設(shè)計(jì)。
• 生產(chǎn)制造不同：汽車芯片在制造和封裝測試上比消費(fèi)電子要求相對高。
• 另外，汽車SoC芯片通常有獨(dú)立的安全島設(shè)計(jì)、獨(dú)立的系統(tǒng)、獨(dú)立的電源、獨(dú)立的時(shí)鐘，獨(dú)立的PLL（鎖相環(huán)）等，以保證持續(xù)安全運(yùn)行。
• 汽車還要滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳輸網(wǎng)絡(luò)ECC/CRC校驗(yàn)和多系統(tǒng)要求，如芯馳一個(gè)芯片能夠控制10個(gè)屏，共運(yùn)行了6個(gè)操作系統(tǒng)，同時(shí)符合ISO26262、AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)。

“一芯十屏”演示

徐超強(qiáng)調(diào)，關(guān)鍵在于如何在滿足這么多要求的情況下，保證性能和成本，這要依靠經(jīng)驗(yàn)豐富的團(tuán)隊(duì)。此外，還要考慮客戶的研發(fā)投入，為其未來3-5年的前瞻性需求做一些預(yù)留，同時(shí)還不能讓芯片成本增加太多。

危機(jī)四伏下的缺芯

2021年4月，IHS對全球芯片短缺做了一個(gè)分析，徐超從供給側(cè)和需求側(cè)對其進(jìn)行了解讀。

他說，在供給側(cè)，經(jīng)過差不多半年多的短缺，芯片行業(yè)開始特別關(guān)注提升本土化程度，此外，近兩年，一些危機(jī)性事件，如疫情、氣候等，均造成了全球產(chǎn)能下滑。

供給側(cè)下降，需求側(cè)則在上升。IHS報(bào)告將汽車芯片排在第一位，因?yàn)?020年底行業(yè)的判斷是，受疫情影響全球汽車工業(yè)產(chǎn)能預(yù)期將下降45%，但實(shí)際上中國基本與2019年持平，全球下滑也是個(gè)位數(shù)。疫情緩解后出現(xiàn)了報(bào)復(fù)性出行需求，而公共交通有可能使疫情反復(fù)，所以購車量上升。

后疫情時(shí)代，居家辦公、工業(yè)自動(dòng)化等需要增加，手機(jī)、PC、服務(wù)器、平板電腦、電商、遠(yuǎn)程支付，包括加密芯片需求漲聲一片。這種倒掛現(xiàn)象很難在短期內(nèi)彌補(bǔ)。

除了供給和需求兩側(cè)，汽車行業(yè)正處在百年變革中，芯片的需求量快速上升。電動(dòng)化、共享化、智能化和網(wǎng)聯(lián)化，加上個(gè)性化已成為大勢所趨，對芯片的需求和要求都發(fā)生了很大變化，以前有芯片就可以賣車，現(xiàn)在是有好的芯片車才有競爭力。

事實(shí)上，汽車行業(yè)缺芯不是疫情之后才出現(xiàn)的，此前就有因芯片供應(yīng)問題導(dǎo)致汽車產(chǎn)量受影響的案例出現(xiàn)。在很多情況下，多因素疊加會(huì)導(dǎo)致一個(gè)事件會(huì)像滾雪球一樣放大，特別是遇到疫情這種特殊情形。

因此，如果汽車行業(yè)和半導(dǎo)體行業(yè)缺少交流，缺芯將階段性存在，徐超預(yù)計(jì)，今年Q2或Q2末市場會(huì)回到常態(tài)，隨著主機(jī)場與芯片廠商的交流越來越深入，這種情況會(huì)越來越好處理。

融入主機(jī)廠流程，隨需而變

徐超表示，只有隨需而變，才能更加貼近主機(jī)廠的整個(gè)開發(fā)流程。傳統(tǒng)開發(fā)流程是主機(jī)廠完成立項(xiàng)到設(shè)計(jì)，然后給Tier1產(chǎn)品規(guī)格要求，后者據(jù)此與芯片廠商溝通選型。整個(gè)過程有可能會(huì)長達(dá)4年，現(xiàn)在，在智能汽車普及的時(shí)代，主機(jī)廠為了更加個(gè)性化和差異化的創(chuàng)新車型定義，更加早期的導(dǎo)入芯片合作企業(yè)進(jìn)行深度交流，芯片企業(yè)介入整車開發(fā)流程較之傳統(tǒng)模式，平均提前了16個(gè)月以上。目前，新型主機(jī)廠和很多傳統(tǒng)主機(jī)廠甚至?xí)谲囆鸵?guī)劃初期讓芯片廠商參與進(jìn)來。主機(jī)廠需要芯片廠商提供更多深度的信息去靈活定義差異化和賣點(diǎn)，突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程中汽車和芯片行業(yè)的壁壘和便捷。這種變化對于芯馳來說也是非常重要的機(jī)遇。

事實(shí)上，主機(jī)廠也在貼近芯片廠商，特別是面對缺芯，另外，主機(jī)廠還會(huì)考慮芯片級(jí)（以前是零部件級(jí)）備份方案，還有EE架構(gòu)的歸一化。

徐超指出，如果不去改變1000多顆芯片中有近180種芯片的事實(shí)，供應(yīng)鏈安全將是一句空話，因?yàn)橹灰币活w芯片車就很可能無法下線。所以，主機(jī)廠需要的是用更高集成度、更高性能的芯片將原來的眾多零部件整合到一起，也就是功能上耦合、性能上提升、進(jìn)一步集成的整車架構(gòu)。這既是主機(jī)廠的解決之道，也是一個(gè)趨勢，所以大核心處理器是未來的一個(gè)趨勢，芯馳的產(chǎn)品路線圖中已有相關(guān)的產(chǎn)品。

安全第一，兼收并蓄

徐超認(rèn)為，汽車芯片與其他消費(fèi)類或商用芯片的最大區(qū)別就是兩個(gè)字——安全?；诖耍抉Y芯片強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)完整性級(jí)別的功能安全；信息安全，包括符合國密、商密標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證；可擴(kuò)展，就像沃爾沃的SPA平臺(tái)，可以靈活地從A級(jí)車擴(kuò)展到C級(jí)車、豪華車。芯片亦然，可以在同一個(gè)平臺(tái)上設(shè)計(jì)不同配置的兼容架構(gòu)，例如：從2個(gè)核到8個(gè)核的GPU和CPU。其好處在于客戶的軟件、系統(tǒng)、應(yīng)用甚至硬件都可以兼容和非常平滑地遷移，不需要額外投入；而芯片廠商的不同型號(hào)芯片可以面向不同市場，縮短上市時(shí)間；有一個(gè)足夠強(qiáng)大的CPU固然好，CPU是一個(gè)復(fù)雜運(yùn)算單元，可以跑各種算法和應(yīng)用，但芯片設(shè)計(jì)并不盡然，需要根據(jù)特定應(yīng)用市場來考慮，用ASIC或加速引擎方式實(shí)現(xiàn)其中一些通用CPU運(yùn)行的算法，可能用1/10的面積實(shí)現(xiàn)10倍以上的性能，當(dāng)然這會(huì)犧牲一些通用性?？蛻魧?shí)踐證明，選用座艙和未來整車架構(gòu)中用得最多的CV/AI引擎，效果非常滿意。

除此之外，車規(guī)芯片強(qiáng)調(diào)安全、可靠、長效、性能、功耗和價(jià)格。其中性能、功耗和價(jià)格消費(fèi)電子也會(huì)考慮，而即使在這三個(gè)方面，車用芯片需要考慮的也會(huì)更多，比如性能中的智能化程度和增強(qiáng)體驗(yàn)、實(shí)時(shí)響應(yīng)等；功耗方面的節(jié)能減排、續(xù)航里程；價(jià)格是永恒的話題，希望最好的芯片有最低的價(jià)格。

其中安全性、可靠性和長效三者是車規(guī)芯片與傳統(tǒng)芯片的最大區(qū)別。

• 安全：以更多機(jī)制防范一些錯(cuò)誤注入和系統(tǒng)理論失效。
• 可靠：在芯片可靠性之外，增加可靠的供應(yīng)鏈有助于保證決策安全，同時(shí)也能降低召回風(fēng)險(xiǎn)。
• 長效：架構(gòu)足夠先進(jìn)，設(shè)計(jì)足夠持久，軟件系統(tǒng)有足夠長的支持，這也可以減少客戶的重復(fù)研發(fā)投入。

從技術(shù)上看，可靠性和長效息息相關(guān)，通過代表半導(dǎo)體產(chǎn)品壽命三個(gè)主要階段的“浴缸曲線”可以發(fā)現(xiàn)，從產(chǎn)品交付早期到報(bào)廢的整個(gè)壽命周期內(nèi)，其可靠性的變化（失效率）呈現(xiàn)一定規(guī)律。由于半導(dǎo)體特性，芯片早期故障率比較高。度過早期失效期就進(jìn)入了偶然失效期，發(fā)生失效的幾率可控，這時(shí)就可以開始銷售了。

消費(fèi)類電子產(chǎn)品有的不做早期的Burn in（老化），它知道自己的長期偶然失效率大概是多少，可以通過換機(jī)來解決。如果消費(fèi)產(chǎn)品剛開始用跑應(yīng)用時(shí)就老崩潰，廠商會(huì)給換個(gè)新的，這個(gè)幾率大約在千分之一左右，當(dāng)然通過出廠系統(tǒng)測試也會(huì)規(guī)避掉一些，實(shí)際可能更低一些。

但汽車不一樣，從銷售開始，芯片就要保證0ppm，偶然失效期要保證10-15年，而消費(fèi)電子的偶然失效期只需3-5年。

那么，問題來了，主機(jī)廠的技術(shù)團(tuán)隊(duì)怎么證明自己選擇芯片的決策是安全的？徐超覺得這要從幾個(gè)層面來看。

首先是認(rèn)證層面，芯片廠商要委托第三方中立機(jī)構(gòu)按照非常嚴(yán)苛的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)去做所有車規(guī)級(jí)相關(guān)試驗(yàn)和測試，最終拿到認(rèn)證。

從芯片可靠性看，每個(gè)芯片都要有唯一的二維碼，如果發(fā)生質(zhì)量問題，可以在6個(gè)小時(shí)內(nèi)追溯質(zhì)量問題的根源，這個(gè)流程的管理，得到了包括車規(guī)晶圓廠和封測合作伙伴的大力支持和配合。

還有“保險(xiǎn)”層面，6月工業(yè)和信息化部電子信息司、裝備工業(yè)一司支持，北京市經(jīng)濟(jì)和信息化局指導(dǎo)，中國汽車芯片產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟主辦的汽車芯片保險(xiǎn)簽約儀式發(fā)布活動(dòng)在京成功舉行，將推動(dòng)芯片企業(yè)、零部件企業(yè)和保險(xiǎn)公司，開展汽車芯片保險(xiǎn)和保費(fèi)補(bǔ)貼試點(diǎn)工作，通過“市場化為主+政府有限支持”方式破解汽車芯片應(yīng)用問題，以金融保險(xiǎn)手段分擔(dān)產(chǎn)業(yè)鏈上下游風(fēng)險(xiǎn)和疏通瓶頸，對促進(jìn)汽車芯片快速形成市場應(yīng)用規(guī)模具有重要意義?？稍诒ｋU(xiǎn)層面保障主機(jī)廠在選用芯片時(shí)至少不會(huì)有太大的決策風(fēng)險(xiǎn)。

貞光科技深耕汽車電子、工業(yè)及軌道交通領(lǐng)域十余年，為客戶提供車規(guī)MCU、車規(guī)電容、車規(guī)電阻、車規(guī)晶振、車規(guī)電感、車規(guī)連接器等車規(guī)級(jí)產(chǎn)品和汽車電子行業(yè)解決方案，成立于2008年的貞光科技是三星、VIKING、紫光芯能、基美、國巨、泰科、3PEAK思瑞浦等國內(nèi)外40余家原廠的授權(quán)代理商。

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